显示卡工作原理详解

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显示卡工作原理详解

我们在 监视器上看到的图像是由很多个小点组成的，这些小点称为“像素”。在最常用的分辨率设置下，屏幕显示一百多万个像素，电脑必须决定如何处理每个像素，以便生成图像。为此，它需要一位“翻译”，负责从CPU获得二进制数据，然后将这些数据转换成人眼可以看到的图像。除非电脑的主板内置了图形功能，否则这一转换是在显卡上进行的。

　　显卡的工作非常复杂，但其原理和部件很容易理解。在本文中，我们将了解显卡的基本部件和它们的作用。此外，我们还将考察那些共同发挥作用以使显卡能够快速、高效工作的因素。

　　

　　-->显卡生成一幅线框图像，然后进行填充并添加纹理和阴影。

　　-->显卡的基本原理

　　我们可以把电脑想像成一家拥有独立美工部门的公司。当公司员工需要一件美术品时，便向美工部门提出申请。美工部门决定如何创作图像，然后在图纸上绘制出来。最终结果是，某人的想法变成真实而可见的图像。

　　

　　显卡的主要部件是:主板连接设备、监视器连接设备、处理器和内存。不同显卡的工作原理基本相同CPU与软件应用程序协同工作，以便将有关图像的信息发送到显卡。显卡决定如何使用屏幕上的像素来生成图像。之后，它通过线缆将这些信息发送到监视器

　　显卡的演变自从IBM于1981年推出第一块显卡以来，显卡已经有了很大改进。第一块显卡称为单色显示适配器（MDA），只能在黑色屏幕上显示绿色或白色文本。而现在，新型显卡的最低标准是视频图形阵列（VGA），它能显示256种颜色。通过像量子扩展图矩阵（QuantumExtendedGraphicsArray,QXGA）这样的高性能标准，显卡可以在最高达2040x1536像素的分辨率下显示数百万种颜色。

　　根据二进制数据生成图像是一个很费力的过程。为了生成三维图像，显卡首先要用直线创建一个线框。然后，它对图像进行光栅化处理（填充剩余的像素）。此外，显卡还需添加明暗光线、纹理和颜色。对于快节奏的游戏，电脑每秒钟必须执行此过程约60次。如果没有显卡来执行必要的计算，则电脑将无法承担如此大的工作负荷。

　　显卡使用四个主要部件来完成此任务：

　　主板连接设备，用于传输数据和供电

　　处理器，用于决定如何处理屏幕上的每个像素

　　内存，用于存放有关每个像素的信息以及暂时存储已完成的图像

　　监视器连接设备，便于我们查看最终结果

　　处理器和内存

　　像主板一样，显卡也是装有处理器和RAM的印刷电路板。此外，它还具有输入/输出系统（BIOS）芯片，该芯片用于存储显卡的设置以及在启动时对内存、输入和输出执行诊断。显卡的处理器称为图形处理单元（GPU），它与电脑的CPU类似。但是，GPU是专为执行复杂的数学和几何计算而设计的，这些计算是图形渲染所必需的。某些最快速的GPU所具有的晶体管数甚至超过了普通CPU。GPU会产生大量热量，所以它的上方通常安装有散热器或风扇。

　　

　　散热器或风扇可以防止显卡的处理器过热。

　　除了其处理能力以外，GPU还使用特殊的程序设计来帮助自己分析和使用数据。市场上的绝大多数GPU都是冶天和英伟达生产的，并且这两家公司都开发出了自己的GPU性能增强功能。为了提高图像质量，这些处理器使用以下技术：

　　全景抗锯齿（FSAA），它能让三维物体的边缘变得平滑

　　各向异性过滤（AF），它能使图像看上去更加鲜明

　　集成显卡许多主板都具有集成图形功能，而无需独立的显卡。这些主板能轻松地处理二维图像，因而能够提高工作效率，并且非常适合于互联网应用环境。如果在一块这样的主板上插入独立的显卡，则会覆盖板载图形功能。

　　很多厂商还都另行开发出特定的技术，以帮助GPU应用颜色、阴影、纹理和图案。

　　GPU在生成图像时，需要有个地方能存放信息和已完成的图像。这正是显卡RAM用途所在，它用于存储有关每个像素的数据、每个像素的颜色及其在屏幕上的位置。有一部分RAM还可以起到帧缓冲器的作用，这意味着它将保存已完成的图像，直到显示它们。通常，显卡RAM以非常高的速度运行，且采取双端口设计，这意味着系统可以同时对其进行读取和写入操作。

　　RAM直接连接到数模转换器，即DAC。这个转换器也称为RAMDAC，用于将图像转换成监视器可以使用的模拟信号。有些显卡具有多个RAMDAC，这可以提高性能及支持多台监视器。

　　RAMDAC通过线缆将最终图像发送到监视器。

　　显卡输入和输出

　　ADC连接器苹果公司曾经制造过使用专利产品AppleDisplayConnector（ADC）的监视器。尽管这些监视器目前仍在使用，但苹果公司新出的监视器已改为使用DVI连接设备。显卡通过主板连接到电脑主板为显卡供电，并使其可以与CPU通信。对于较新的显卡，主板所提供的电能往往不足，所以显卡还直接连接到电脑的电源。

　　与主板的连接通常是借助以下三种接口之一来实现的：

　　外设部件互连（PCI）

　　高级图形端口（AGP）

　　PCIExpress（PCIe）

　　在这三种接口中，PCIExpress是最新型的接口，它能在显卡和主板之间提供最快的传输速率。此外，PCIe还支持在一台电脑中使用两块显卡。

　　大多数显卡都具有两个监视器连接设备。通常，其中一个是支持LCD屏幕的DVI连接器，另一个是支持CRT屏幕的VGA连接器。有些显卡配备的是两个DVI连接器。但这并不意味着无法使用CRT屏幕；CRT屏幕可以通过适配器连接到DVI端口。

　　大多数人仅使用他们具有的两种监视器连接设备中的一种。需要使用两台监视器的用户可以购买具有双头输出功能的显卡，它能将画面分割并显示到两个屏幕上。理论上，如果电脑配有两块具有双头输出功能且提供PCIe接口的显卡，则它能够支持四台监视器。

　　

　　这块RadeonX800XL显卡具有DVI、VGA和ViVo连接设备。

　　除了用于主板和监视器的连接设备以外，有些显卡还具有用于以下用途的连接设备：

　　电视显示：电视输出或S-Video

　　模拟摄像机：ViVo（视频输入/视频输出）

　　数码相机：火线或USB有些显卡还自带了电视调谐器。

　　接下来，我们将考察对显卡的速度和效率有影响的因素。

　　DirectX和OpenGLDirectX和OpenGL都是应用程序编程接口，简称API。API提供用于复杂任务（例如三维渲染）的指令，以此帮助软硬件更高效地通信。开发人员针对特定的API来优化大量使用图形的游戏。这就是最新的游戏通常需要DirectX或OpenGL的更新版才能正确运行的原因。

　　API不同于驱动程序。驱动程序是使硬件可以与电脑的操作系统进行通信的程序。但如同更新版的API一样，更新版的设备驱动程序可以帮助程序正确运行。

　　什么样的是好显卡？

　　顶级显卡很容易辨认，它应该具有大量内存和速度很快的处理器。此外，与其他任何要安装到电脑机箱中的部件相比，它通常是最令人关注的。很多高性能显卡都声称需要或直接配备了外形夸张的风扇或散热器。

　　但高端显卡提供的功能超出了大多数人的真实需要。对于主要使用电脑来收发电子邮件、从事文字处理或上网冲浪的用户来说，带有集成显卡的主板便能够提供所有必要的图形功能。对于大多数偶尔玩游戏的用户来说，中端显卡已经足以满足需要。只有游戏迷和那些需要完成大量三维图形工作的用户才需要高端显卡。

　　

　　有些显卡带有用于电视和视频的连接设备以及电视调谐器，例如Ati的All-in-Wonder显卡。

　　显卡性能的一个很好的整体衡量标准是它的帧速，它是以每秒的帧数（FPS）为单位加以衡量的。帧速说明了显卡每秒钟能显示多少幅完整的图像。人眼的处理能力约为每秒25帧，而动感快速的游戏至少需要60FPS的帧速才能提供平滑的动画和滚动。影响帧速的因素包括：

　　每秒生成的三角形数或顶点数三维图像是由三角形或多边形组成的。这项指标说明了GPU能够以多快的速度计算整个多边形或对该多边形进行定义的顶点。一般而言，它说明了显卡能以多快的速度生成线框图像。

　　像素填充速率：这项指标说明了GPU一秒钟内能处理多少个像素，从而也就说明了显卡能以多快的速度对图像进行光栅化处理。显卡的硬件对其速度具有直接影响。以下是对显卡速度影响最大的硬件性能指标及其衡量单位：

　　GPU时钟速度（MHz）

　　内存总线的容量（位）

　　可用内存的数量（MB）

　　内存时钟速率（MHz）

　　内存带宽（GB/s）

　　RAMDAC速度（MHz）

　　电脑的CPU和主板也对显卡速度有一定影响，因为非常快速的显卡并不能弥补主板在快速传输数据方面的能力的不足。同样，显卡与主板之间的连接以及它从CPU获取指令的速度都会影响其性能。

　　超频有些用户选择将自己显卡的时钟速度手动设置为更高的速率，以此来提高显卡的性能，这称为超频。人们通常选择对显卡的内存进行超频，因为对GPU进行超频可能会导致过热。虽然超频可以获得更好的性能，但它也会使制造商的质保失效。

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